Термические превращения синтетических и природных полимеров в присутствии азот- фосфорсодержащих замедлителей горения

Термические превращения синтетических и природных полимеров в присутствии азот- фосфорсодержащих замедлителей горения

Богданова В.В., Кобец О.И., Бурая О.Н.

Учреждение Белорусского государственного университета "Научно-исследовательский институт физико-химических проблем" (НИИ ФХП БГУ)

 

Для нахождения общности или различия факторов, оказывающих доминирующее влияние на погасание ТГМ различной химической природы в присутствии синтетических N-P- содержащих антипиренов, проведены качественные и количественные исследования твердых продуктов термического разложения огнезащищенных материалов, имеющих различный уровень огнестойкости.

Объектами исследования являлись полиэтилен – ПЭ, полипропилен – ПП, пенополиуретан – ППУ марки «Изолан 125», древесина и торф. В качестве замедлителей горения для ПП и ПЭ применяли синергическую смесь полифосфата аммония (ПФА) и синтетического продукта взаимодействия карбамида с гексаметилендиизоцианатом (продукт А), имеющего формулу элементарного звена [–СО–NH–(CH2)6NHCONHCONH–]. Антипиренами для ППУ, образцов древесины и торфа являлись синтетические продукты – аммонийные металлофосфаты (АМФ) катионного и анионного состава [NH4+]; [Me2+ Me3+]; [HPO42- / H2PO4PO43-], отличающиеся природой металла и различным содержанием азота и фосфора. Определение горючести ПЭ-, ПП-композиций проводили по ГОСТ 28157, а ППУ-композиций – по ГОСТ 12.1.044, горючесть древесины по ГОСТ 16363, а торфа – по методике [1].

Физико-химические свойства исследуемых замедлителей горения (термоизолирующая способность, экранирующие свойства расплавов, теплопоглощающая способность, остаточное содержание азота и фосфора в твердых продуктах термообработки) определяли по методикам, изложенным в работе [2].

Для полиолефиновых композиций устойчивый огнезащитный эффект (категория ПВ0) достигался только для ПП-композиции. При замене ПП на ПЭ композиция не являлась огнестойкой. ПФА и продукт А по отдельности не придавали огнестойких свойств исследуемым полимерам.

В твердых продуктах термообработки ПП-композиции по сравнению с полиэтиленовой наблюдается более значительное (в 2–3 раза) поступление летучих соединений азота в газовую фазу, особенно в области температур 450–500 оС при примерно одинаковом содержании фосфора в твердых продуктах термолиза и горения в обеих исследуемых композициях. Из сравнения эффективности азот-фосфорсодержащей синергической смеси в ПЭ- и ПП-композициях с данными по составу продуктов термического разложения и горения этих же композиций видно, что огнезащитная эффективность в полиолефинах коррелирует с количественным поступлением летучих соединений азота в газовую фазу.

Высокоэффективными теплоизоляционными полимерами являются жесткие пенополиуретаны, относящиеся к легковоспламеняемым материалам. Исследование факторов, влияющих на горючесть этих  гетероцепных  полимеров, содержащих азот, проводили с использованием ППУ марки «Изолан-125» и синтетического аммонийного металлсодержащего замедлителя горения, имеющего массовое соотношение компонентов: NH3 : P2O5 : SO3 : CaO : MgO = 0,44 : 2: 1,67 : 1 : 2. В результате химического анализа твердых продуктов химического разложения исходных и огнезащищенного пенополиуретана найдено, что суммарное поступление летучих ингибиторов горения в газовую фазу в трудногорючем пенополиуретане в 1,4 раза выше по сравнению с исходным материалом.

Для предотвращения и тушения природных пожаров целесообразно иметь комплексное огнезащитное и огнетушащее средство, эффективное одновременно по отношению к древесине и торфу – горючим материалам, существенно различающимся по химическому составу, физико-химическим и термическим свойствам. Эти обстоятельства необходимо учитывать при разработке рецептур синтетических огнезащитных и огнетушащих средств (ООС), обеспечивающих воздействие на процессы, лимитирующие горение как древесины, так и торфа. В результате проведения большого количества экспериментов по синтезу дисперсий АМФ, отличающихся природой двух- и трехвалентных металлов, соотношением компонентов, условиями проведения синтеза с использованием различных нейтрализующих агентов отобраны продукты (1-3), имеющие различный химический состав, физико-химические свойства, огнезащитную и огнетушащую эффективность (таблица 1).

 

Таблица 1

Данные по физико-химическим, термическим,
огнезащитным и огнетушащим свойствам ООС

№ ООС

Т-ра начала образования расплавов, оС

Теплопогло-щающая способность (20–350 оС), Дж/г

Средняя высота вспененного слоя (300–350 оС), мм

Коэффициент растекаемости расплавов (350–380 оС)

Комплексная эффектив-ность, Δm, %

1

200

416

2,0

1,31

8

2

220

418

4,1

0,91

21,7

3

200

345

4,0

1,03

9,8

 

Установлено, что данные о количественном поступлении летучих ингибиторов горения в газовую фазу полностью коррелируют с огнезащитной эффективностью ООС. При этом, как и в случае карбо- и гетероцепных полимеров, наблюдается сходная тенденция: наиболее эффективны те замедлители горения, в присутствии которых обеспечивается преимущественное поступление в газовую фазу летучих азотсодержащих ингибиторов горения.

Таким образом, в результате исследования физико-химических, термических свойств NP-антипиренов и состава твердых продуктов термического разложения и горения огнезащищенных синтетических полимеров различных классов, древесины и торфа впервые установлена идентичность процессов, вносящих основной вклад в ингибирование горения этих разных по своей химической природе горючих веществ – достаточный и совпадающий с температурой превращения полимерной матрицы выход летучих азотсодержащих ингибиторов в пламенную зону. Вместе с тем необходимо учитывать, что и физические факторы, оказывающие влияние на условия тепло- и массопереноса при огневом воздействии на исследуемые материалы (разрушение и структурирование полимерной матрицы, изолирование поверхности горения карбонизованными продуктами термолиза и мелкодисперсными компонентами огнезащитных систем, а также вязкость расплавов полимеров и огнепреграждающих химических составов) вносят свой вклад в прекращение горения. Показано, что как для синтетических, так и для природных полимеров количество и скорость выхода летучих ингибиторов горения в пламенную зону определяется характером первичных процессов, протекающих в предпламенной зоне конденсированной фазы. В соответствии с этим поступление азота в газовую фазу зависит не только от его содержания в исходной композиции, но и от условий, реализующихся в предпламенной зоне конденсированной фазы. Установлено, что синергизм NP–антипиренов обусловлен количественным распределении азота и фосфора между газовой и конденсированной фазами при термическом разложении и горении огнезащищенных синтетических и природных материалов: фосфор преимущественно участвует в образовании экранирующих расплавленных и теплоизолирующих вспененных продуктов в конденсированной фазе, а азот является ингибитором радикальных реакций в газовой фазе.

 

Литература

1. Богданова В.В., Кобец О.И., Людко А.А. Исследование огнезащитных и огнетушащих свойств суспензий ортофосфатов, полученных на основе природных минералов. / Свиридовские чтения: сб. ст. Минск, 2013. Вып. 9. С. 28–36.

2. Богданова В.В., Кобец О.И., Людко А.А. Исследование физико-химических и огнепреграждающих свойств синтетических суспензий на основе трепела и бентонита // Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии: сб. науч. тр. / Ин-т химии новых матер. НАН Б. Минск: Беларус. навука, 2013. С. 151–160.

Категория: Материалы IX конференции | Добавил: epyur (11.12.2020)
Просмотров: 35 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
avatar